Πηγή Εικόνας: ΑΠΕ-ΜΠΕΕυρύτατα διαδεδομένο, το αλουμίνιο χρησιμοποιείται σχεδόν παντού, από τα κουτιά αναψυκτικών και το αλουμινόχαρτο μέχρι τις πλακέτες κυκλωμάτων και τους κινητήρες πυραύλων, ενώ είναι το δεύτερο σε παραγωγή μέταλλο στον κόσμο μετά τον χάλυβα. Μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας, η ζήτηση αναμένεται να αυξήσει την παραγωγή αλουμινίου κατά 40% παγκοσμίως. Αυτή η απότομη αύξηση θα μεγεθύνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις του αλουμινίου, συμπεριλαμβανομένων τυχόν ρύπων που απελευθερώνονται με τα απόβλητα της παραγωγής του.
Μηχανικοί του ΜΙΤ ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία νανοδιήθησης για τον περιορισμό των επικίνδυνων αποβλήτων που δημιουργούνται από την παραγωγή αλουμινίου. Η νανοδιήθηση θα μπορούσε δυνητικά να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία των αποβλήτων από ένα εργοστάσιο αλουμινίου και την ανάκτηση τυχόν ιόντων αλουμινίου που διαφορετικά θα είχαν διαφύγει στα λύματα. Το αλουμίνιο που δεσμεύεται θα μπορούσε στη συνέχεια να ανακυκλωθεί και να προστεθεί στον όγκο του παραγόμενου αλουμινίου, αυξάνοντας την απόδοση και μειώνοντας ταυτόχρονα τα απόβλητα.
Η μεμβράνη που ανέπτυξαν δοκιμάστηκε για το φιλτράρισμα διαφόρων διαλυμάτων, παρόμοιων με αυτά που εντοπίζονται στα ρεύματα αποβλήτων και παράγονται από τα εργοστάσια αλουμινίου. Τα εργαστηριακά πειράματα έδειξαν ότι η μεμβράνη δέσμευε πάνω από το 99 % των ιόντων αλουμινίου.
Η νέα αυτή τεχνολογία θα μπορούσε, εφόσον εφαρμοστεί σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις παραγωγής, να μειώσει την ποσότητα του απορριπτόμενου αλουμινίου και να βελτιώσει την περιβαλλοντική ποιότητα των αποβλήτων που παράγουν τα εργοστάσια.
Όπως ανέφερε ο καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του MIT John Lienhard «αυτή η τεχνολογία μεμβρανών όχι μόνο μειώνει τα επικίνδυνα απόβλητα, αλλά επιτρέπει επίσης μια κυκλική οικονομία για το αλουμίνιο, μειώνοντας την ανάγκη για νέα εξόρυξη».
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Sustainable Chemistry and Engineering.
Η ομάδα του Lienhard στο MIT που αναπτύσσει τεχνολογίες μεμβρανών και διήθησης για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού και την αποκατάσταση διαφόρων πηγών λυμάτων, βρήκε μια ανεξερεύνητη ευκαιρία στο αλουμίνιο και, ειδικότερα, στα λύματα που παράγονται από την παραγωγή του μετάλλου.
Στο πλαίσιο της παραγωγής του αλουμινίου, το πλούσιο σε μέταλλα μετάλλευμα, ο λεγόμενος βωξίτης, εξορύσσεται πρώτα από ανοιχτούς λάκκους και στη συνέχεια υποβάλλεται σε μια σειρά χημικών αντιδράσεων για τον διαχωρισμό του αλουμινίου από το υπόλοιπο πέτρωμα που εξορύσσεται. Αυτές οι αντιδράσεις παράγουν τελικά οξείδιο του αργιλίου, σε μορφή σκόνης που ονομάζεται αλουμίνα. Μεγάλο μέρος αυτής της αλουμίνας αποστέλλεται στη συνέχεια σε διυλιστήρια, όπου η σκόνη χύνεται σε δεξαμενές ηλεκτρόλυσης που περιέχουν ένα λιωμένο ορυκτό που ονομάζεται κρυόλιθος. Όταν εφαρμόζεται ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα, ο κρυόλιθος σπάει τους χημικούς δεσμούς της αλουμίνας, διαχωρίζοντας τα άτομα αλουμινίου και οξυγόνου. Το καθαρό αλουμίνιο στη συνέχεια κάθεται σε υγρή μορφή στον πυθμένα του κάδου, όπου μπορεί να συλλεχθεί και να χυθεί σε διάφορες μορφές.
Μελετώντας την διαδικασία παραγωγής του αλουμινίου, η ομάδα διαπίστωσε σύμφωνα με τον καθηγητή Trent Lee ότι «σε ένα παραδοσιακό εργοστάσιο αλουμινίου χάνονται ετησίως περίπου 2.800 τόνοι αλουμινίου». Αυτό παρακίνησε την ομάδα να αναζητήσει τρόπους προκειμένου η βιομηχανία να γίνει πιο αποτελεσματική.
Στην πρόσφατη έρευνά τους, οι μελετητές έθεσαν ως στόχο την ανάπτυξη μιας σειράς μεμβρανών για το φιλτράρισμα των αποβλήτων κρυολίθου και την ανάκτηση ιόντων αλουμινίου που αναπόφευκτα καταλήγουν στα απόβλητα. Συγκεκριμένα, η ομάδα προσπάθησε να συλλάβει το αλουμίνιο, αφήνοντας παράλληλα να περάσουν όλα τα άλλα ιόντα, ιδίως το νάτριο, το οποίο συσσωρεύεται σημαντικά στον κρυόλιθο με την πάροδο του χρόνου.
Η ομάδα σκέφτηκε ότι αν μπορούσαν να συλλάβουν επιλεκτικά το αλουμίνιο από τα απόβλητα του κρυόλιθου, το αλουμίνιο θα μπορούσε να ξαναχύνεται στον κάδο της ηλεκτρόλυσης χωρίς να προστίθεται υπερβολικό νάτριο που θα επιβράδυνε περαιτέρω τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης.
Ο νέος σχεδιασμός των ερευνητών είναι μια προσαρμογή των μεμβρανών που χρησιμοποιούνται στις συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού. Αυτές οι μεμβράνες είναι συνήθως κατασκευασμένες από ένα λεπτό φύλλο πολυμερούς υλικού που είναι διάτρητο από μικροσκοπικούς πόρους κλίμακας νανομέτρου, το μέγεθος των οποίων συντονίζεται ώστε να αφήνει να περνούν συγκεκριμένα ιόντα και μόρια.
Η επιφάνεια των συμβατικών μεμβρανών φέρει ένα φυσικό, αρνητικό φορτίο. Ως αποτέλεσμα, οι μεμβράνες απωθούν τυχόν ιόντα που φέρουν το ίδιο αρνητικό φορτίο, ενώ προσελκύουν θετικά φορτισμένα ιόντα για να περάσουν.
Σε συνεργασία με την ιαπωνική εταιρεία μεμβρανών Nitto Denko, η ομάδα του ΜΙΤ προσπάθησε να εξετάσει την αποτελεσματικότητα των εμπορικά διαθέσιμων μεμβρανών που θα μπορούσαν να φιλτράρουν τα περισσότερα θετικά φορτισμένα ιόντα στα κρυολιθικά λύματα, ενώ παράλληλα θα απωθούν και θα συλλαμβάνουν τα ιόντα αλουμινίου. Ωστόσο, τα ιόντα αλουμινίου φέρουν επίσης θετικό φορτίο, +3, ενώ το νάτριο και τα άλλα κατιόντα φέρουν μικρότερο θετικό φορτίο +1.
Με κίνητρο την πρόσφατη εργασία της ομάδας που διερεύνησε μεμβράνες για την ανάκτηση λιθίου από αλμυρές λίμνες και χρησιμοποιημένες μπαταρίες, η ομάδα δοκίμασε μια νέα μεμβράνη της Nitto Denko με μια λεπτή, θετικά φορτισμένη επίστρωση που καλύπτει τη μεμβράνη. Το φορτίο της επικάλυψης είναι αρκετά θετικό ώστε να απωθεί και να συγκρατεί ισχυρά το αλουμίνιο, ενώ επιτρέπει τη ροή λιγότερο θετικά φορτισμένων ιόντων.
